在主-客体识别过程中，主体化合物的空腔大小对于识别很重要。早期的冠醚等大环分子空腔体积再200 Å以内，识别金属离子或小分子， 90年代中期，有学者构建出了体积更大，且具有三维封闭空腔的自组装金属笼，空腔体积达到了450 Å3。近期，Makoto Fujita团队结合之前的经验，在不改变配体和受体的组分情况下，将M6L4金属笼扩展到了M9L6，使金属笼空腔体积由450 Å3扩大到了1500 Å3。
作者在柱[5]芳烃客体(4)的存在下，将(tmed)Pt(ONO2)2、2 ,4 ,6 -三（4-吡啶基）三嗪进行固态研磨自组装得到橙色固体。以D2O为溶剂，通过1H NMR检测发现，底物生成了金属笼3和主-客体络合物3·4(图1a,b)，通过比较两种化合物1H NMR谱的化学位移证明生成了能容纳客体4的低聚主体混合物，且1H-DOSY NMR表明形成了一个比M6L4更大的金属笼。
图1. 1H NMR谱（300 K，600 MHz，D2O）(a)主-客体络合物3·4；(b)金属笼3；c)金属笼2
图2. (a)M9L6的合成步骤；(b)主-客体络合物3·4的单晶结构
ESI-MS显示产物并不是预期的M9L6，而是M8L6，随后经过尝试后发现(图2a)，只需在3的溶液中添加过量的(tmed)Pt(ONO2)2即可将金属笼M8L6定量转化为M9L6，其1H NMR谱(图1c)变得更加对称。
为了确定金属笼2的膨胀结构，作者将过量的1,3,5-三甲氧基苯(6)客体悬浮在金属笼2的D2O溶液中，搅拌一段时间后除去过量的6，1H NMR谱图显示6的甲氧基大约上移1ppm，表明6的信号在笼内被屏蔽。
图3.主-客体络合物的单晶结构(a) 2·(6)6；(b) 2·(7)3
X射线单晶衍射分析(图3a)显示，该主-客体络合物中有6个客体分子6被包裹在腔内，主体结构为三棱柱形，通过计算得出空腔体积约为1540 Å3，随后用同样的方法在金属笼2内封装3个客体7(calix[4]arene)，2·(6)6和2·(7)3所含客体的分子量分别是1000和1300左右，表明金属笼2可以封装分子量1000以上的中等大小分子，且观察单晶结构可以发现，金属笼可以根据客体分子进行变形来更紧密地容纳客体分子，这体现了其作为主体的多功能性和适应性。
随后作者尝试用金属笼2封装更大的客体分子。利福平，化学式为C43H58N4O12，是福霉素家族的一种广谱抗生素药物，分子量为—822.94，作者在金属笼2的水溶液中添加了利福平(8)后，溶液变为橙色，1H NMR表征(图4)发现在金属笼2的D2O溶液中加入0.7当量的8后客体信号有明显的上移，证实了主客体络合物2·8的形成。进一步添加8后出现一组新的信号，在添加2.0当量8后，出现了1:2主-客体络合体2·(8)2的特征信号峰，2·(8)2的1H NMR谱显示笼状信号的明显分裂，以及两组不同的客体信号，表明形成了不对称的非共价二聚体，二聚体(8)2在疏水腔内的位置固定，证实金属笼2可以容纳总分子量超过1600的分子。
图4.(a)客体8和9的结构。1H NMR谱（300K，600MHz，D2O）(b)金属笼2和客体8的混合物；(c)金属笼2与0.7当量8完全形成主-客体络合物2·8;(d) 金属笼2与0.7当量8完全形成主-客体络合物2·8和2·(8)2;(e) 金属笼2与2.0当量8完全形成主-客体络合物2·(8)2
总之，作者通过模板自组装和固态机械化学络合的结合，成功地将M6L4八面体笼扩展成更大的M9L6结构，其空腔体积是M6L4八面体笼的三倍以上。扩展后的M9L6笼很大程度上提高了客体的分子量上限至1600左右。该策略为构建大型配位自组装化合物提供了一种新的方法，这种方法是通过传统的热力学、平衡自组装在溶液中无法实现的。
文献解读学生：杨澳 校稿：赵义波
文献来源：Kenta Iizuka, Hiroki Takezawa*, Makoto Fujita*. Template and Solid-State-Assisted Assembly of an M9L6 Expanded Coordination Cage for Medium-Sized Molecule Encapsulation. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 47, 32311–32316